室溫下的固態邁射

2012/08/19 | | 標籤:

一如今日 Nature 期刊中的報導,科學家目前展示一種能在室溫下運作的固態「邁射(MASER)」,為其廣泛應用鋪路。

邁射代表 Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation(微波受激發射放大)。基於這種過程(也是同樣的縮寫,下文用原文來表示)的裝置在五十多年前由科學家開發出來,比雷射的發明還更早。並非像雷射那樣創造出強烈的光束,相反的,邁射傳送集中的微波束。

傳統邁射技術利用堅硬的無機晶體,例如紅寶石,來放大微波,此過程稱為「masing」。然而,相較於雷射,邁射的技術性衝擊較小,因為要使其運作的極端條件難以產生;不是超低壓(由特殊真空腔與幫浦所提供),就是溫度接近絕對零度的冰凍狀態(由特殊的致冷器所支持)。更糟的是,也常常要用到強大的磁場,而那需要大型磁鐵。

現在,來自 National Physical Laboratory (NPL) 以及倫敦帝國學院的團隊已在一個室溫下、未施加磁場的固態裝置中展示 masing。今日的突破意味製造、運作邁射的成本能大幅減少,可能導致它們如雷射技術那樣被廣泛使用。

研究者指出,為了掃描病患,室溫邁射能用來製造更敏感的醫療儀器、為了遠端偵測爆裂物,能用來改良化學感應器;為了量子電腦,能製造出雜訊更低的讀取機器,另外為了偵測其他星球上的可能生命,它能用來製造出更好的無線電望遠鏡。

在 NPL 的研究共同作者 Dr Mark Oxborrow 表示:"半世紀以來,邁射已被遺忘,是雷射的麻煩表親。我們的設計突破將使邁射為業界與消費者所用。"

倫敦帝國學院材料系系主任以及論文共同作者 Professor Neil Alford 補充:"當雷射被發明時沒人確切知道它們將如何被使用,然而隨著科技蓬勃發展至今,雷射在我們日常生活中已相當普及。要使邁射達到這種程度,我們還有很長的路要走,但我們的突破確實意味這項技術已如字面所示「come out of the cold(雙關語,意指不再被忽視,另一意指可以在室溫下運作)」,並開始變得更有用。"

傳統的邁射技術使用硬質無機晶體,例如紅寶石,只有當紅寶石維持在非常的低溫下才有用。該團隊發現一種全然不同類型的結晶體,即摻雜五環素(pentacene)的 p-terphenyl(對三聯苯),能取代紅寶石,且能在室溫下重現相同的 masing 過程。

身為一種奇妙的轉變:五環素的摻雜反而使無色的 p-terphenyl 轉變成強眼的紅粉色(reddish pink) — 使得它看起來猶如紅寶石!

這個團隊目前面臨的雙重挑戰是使邁射能持續作用,其第一個裝置只能以脈衝模式運作,每次只有幾分之一秒。他們也要讓它能在微波頻率以外的範圍運作,而不是只有像目前這樣的窄頻,那將使這項科技更有用。

長期來說,該團隊有其他一系列目標,包括確認各種不同能在室溫下 mase 且耗能比摻雜五環素的 p-terphenyl 還要少的材料。該團隊也將聚焦在創造新設計上,那將使邁射更小、更可攜。

原始文獻:

Mark Oxborrow, Jonathan D. Breeze, Neil M. Alford
Nature, 488, 353–356, (16 August 2012)
doi: 10.1038/nature11339

資料來源:PHYSORG:MASER power comes out of the cold: Researchers demo solid-state MASER capable of operating at room temperatures[August 15, 2012]

轉載自only-perception


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